JP6860277B2 - セラミックヒータ - Google Patents

Description

本開示は、例えば温水洗浄便座、電気温水器、２４時間風呂、等に用いられるセラミックヒータに関する。

通常、温水洗浄便座には、樹脂製の容器である熱交換器とセラミックヒータとを有する熱交換ユニットが備えられている。セラミックヒータは、熱交換器内に収容された洗浄水を温めるために用いられる。

通常、温水洗浄便座には、樹脂製の容器（熱交換器）を有する熱交換ユニットが用いられている。この熱交換ユニットには、熱交換器内に収容された洗浄水を暖めるために、筒状のセラミックヒータが取り付けられている。
この種のセラミックヒータとしては、円筒状のセラミック製のヒータ本体に、円環状の金属製のフランジを外嵌し、ガラスを介してヒータ本体とフランジとを接合したものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１７−０６９０８３号公報

ところで、セラミックヒータの表面にクラックが入るなどしてヒータ部が水中に露出し漏電する事故を防止するため、金属製のフランジに対しアース線を接続することで外部に接地する対策が採られている。しかしながら、フランジを接合するガラスは絶縁性であるため、図６に示すように、フランジの外表面までガラスが覆うことでフランジの外表面が水中に曝されなくなる可能性がある。その際はフランジが水と接しないため、外部に接地できない虞がある。

本開示の一側面のセラミックヒータは、軸線方向に延びるセラミック製の筒状のヒータ本体と、前記ヒータ本体に外嵌されている金属製の環状のフランジとを備えたセラミックヒータにおいて、前記フランジにはアース線が接続され、前記フランジは、前記軸線方向に延びる円筒状の側部と、当該側部に連なり径方向に縮径するように湾曲する底部と、からなる凹状部を有し、前記凹状部には絶縁材が充填され、当該絶縁材を介して前記ヒータ本体に接合され、前記フランジは、前記底部に連なり前記軸線方向の先端側に延びて水中に直接曝される延伸部をさらに有する。
このようなセラミックヒータによれば、延伸部が水中に直接曝されることで、アース線を介して外部に確実に接地することができる。

また、本開示の一側面のセラミックヒータにおいて、前記延伸部は、前記絶縁材よりも前記軸線方向の先端側に突出している構成とされてもよい。
このようなセラミックヒータによれば、延伸部が絶縁材よりも軸線方向の先端側に突出しているため、延伸部を水中に曝しやすくすることができる。

また、本開示の一側面のセラミックヒータにおいて、絶縁材はガラスで構成されてもよい。
このようなセラミックヒータによれば、フランジの接合工程を簡素化することができる。

また、本開示の一側面のセラミックヒータにおいて、前記延伸部は、前記底部の外面から０．５ｍｍ以上突出している構成とされてもよい。
このようなセラミックヒータによれば、延伸部が底部の外面から０．５ｍｍ以上突出しているため、延伸部を水中に曝しやすくすることができる。

（ａ）は本発明を具体化した実施形態におけるセラミックヒータの正面図、（ｂ）は同セラミックヒータにおけるフランジ及びガラスの部分を軸方向に沿って切断したときの部分破断面図。 実施形態のセラミックヒータのガラス部分を透過して示す平面図。 実施形態のセラミックヒータのセラミック層のヒータパターン層側を展開して示す説明図。 （ａ）は実施形態のセラミックヒータのフランジを示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図。 実施形態のセラミックヒータにおけるフランジ及びガラスの部分を軸方向に沿って切断したときの要部拡大破断面図。 従来例のセラミックヒータにおけるフランジ及びガラスの部分を軸方向に沿って切断したときの要部拡大破断面図。 実施形態のセラミックヒータにおけるフランジ及びガラスの部分を軸方向に沿って切断したときの要部拡大破断面図。 （ａ）〜（ｆ）は実施形態のセラミックヒータの製造方法を示す説明図。

以下、本発明を具体化した一実施形態のセラミックヒータ及びその製造方法を図１〜図８に基づいて説明する。

本実施形態のセラミックヒータ１１は、例えば温水洗浄便座の熱交換ユニットの熱交換器において、洗浄水を暖めるために用いられるものである。

図１、図２に示されるように、このセラミックヒータ１１は、円筒状をなすセラミック製のヒータ本体１３と、ヒータ本体１３に外嵌される金属製の円環状のフランジ１５とを備えている。ヒータ本体１３は、セラミック管１７と、そのセラミック管１７の外周のほぼ全体を覆うセラミック層１９とにより構成されている。本実施形態では、セラミック管１７の外径が１０ｍｍφ、内径が８ｍｍφ、長さが６５ｍｍに設定され、セラミック層１９の厚さが０．５ｍｍ、長さが６０ｍｍに設定されている。セラミック層１９はセラミック管１７の外周を完全には覆っていないため、ヒータ本体１３の外周面１４には、軸方向に沿って延びる例えば幅１ｍｍ×深さ０．５ｍｍの溝部２１が形成されている。

このヒータ本体１３を構成しているセラミック管１７及びセラミック層１９は、例えばアルミナからなる。アルミナの熱膨張係数としては、５０×１０^−７／Ｋ〜９０×１０^−７／Ｋの範囲内であり、本実施形態のものでは７０×１０^−７／Ｋ（３０℃〜３８０℃）となっている。

図３に示されるように、セラミック層１９の内周面（セラミック管１７側の面）または内部には、蛇行したパターン形状のヒータパターン層２２及び一対の内部端子２３が形成されている。これらの内部端子２３は、図示しないビア導体等を介して、セラミック層１９の外周面の端部の外部端子２５（図１参照）と電気的に接続されている。

図４に示されるように、フランジ１５は、例えばステンレス等の金属からなる円環状の部材であり、板材の中央部分が第１面Ｓ１の側に曲げられて凹状（カップ形状）となったものである。より具体的にいうと、本実施形態のフランジ１５は、例えば厚さ１ｍｍの板材を曲げることで形成されたものである。板材の中央部には、内面である第１面Ｓ１及び外面である第２面Ｓ２を貫通する穴部２７が形成されている。本実施形態では、凹状部１６の開口部側（即ち図４（ｂ）の上側）の内径は、例えば１６ｍｍφに設定されている。一方、凹状部１６の底部側（即ち図４（ｂ）の下側）の内径、つまり穴部２７の内径は、例えば１２ｍｍφに設定されている。また、凹状部１６の開口部には、アース線３４（図１参照）が接続され外部に接地されている。

また、フランジ１５の全体の高さＨ１（図４（ｂ）の上下方向）は例えば６ｍｍであり、半径ｒ（例えば１．５ｍｍ）にて湾曲した底部２９と、底部２９から上方に（軸方向と垂直に）延びる円筒状の側部３１と、底部２９から下方に（軸方向と垂直に）延びる延伸部３２から構成されている。すなわち、フランジ１５は、軸線方向に延びる円筒状の側部３１と、側部３１に連なり径方向に縮径するように湾曲する底部２９と、からなる凹状部１６を有している。そして、底部２９に連なり軸線方向の先端側に延びて水中に直接曝される延伸部３２をさらに有する。
なお、例えば、底部２９の先端側の外面から延伸部３２までの高さＨ２は１．５ｍｍであり、底部２９の先端側の外面から開口部の上端までの高さＨ３は４．５ｍｍである。また、半径ｒは、軸方向に沿った断面における半径を意味する。

ここで、フランジ１５を形成する金属の熱膨張係数は、１００×１０^−７／Ｋ〜２００×１０^−７／Ｋの範囲内の値となる。例えば、フランジ１５がＳＵＳ３０４（主成分がＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ）製である場合には、その熱膨張係数は、１７８×１０^−７／Ｋ（３０℃〜３８０℃）であり、ＳＵＳ４３０（主成分がＦｅ、Ｃｒ）製である場合には、その熱膨張係数は、１１０×１０^−７／Ｋ（３０℃〜３８０℃）である。

本実施形態では、図５に示されるように、フランジ１５の凹状部１６のうち、ヒータ本体１３の外周面１４とフランジ１５の内面である第１面Ｓ１とで囲まれた空間が、ガラス３３が充填されるガラス溜り部３５とされている。なお、図１及び図２では、ガラス３３の部分にハッチングをかけて示している。

なお、第１端とは、図３では上端を示し、第２端とは、図３では下端を示す。また、セラミックシート１９を厚さ方向から見たときに上記した一対の配線部４４間に位置する配線部４４は、第１端が接続部４５を介して隣接する配線部４４の第１端に接続されるとともに、第２端が接続部４５を介して隣接する配線部４４の第２端に接続されている。

ガラス溜り部３５には、ガラス３３がガラス溜り部３５の高さＨ４の１／３以上に充填されており、そのガラス３３を介してヒータ本体１３とフランジ１５とが溶着接合されている。

ガラス３３としては、例えばＮａ_２Ｏ・Ａｌ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２系のガラス、いわゆるＡｌ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２系のガラス（ホウケイ酸ガラス）が用いられている。このガラス３３の熱膨張係数は、例えば５０×１０^−７／Ｋ〜９０×１０^−７／Ｋ（３０℃〜３８０℃）の範囲内の値となり、本実施形態では６２×１０^−７／Ｋ（３０℃〜３８０℃）となっている。

図５をさらに拡大した図７に示されるように、凹状部１６の底部２９側に位置する穴部２７の内面２８と、ヒータ本体１３の外周面１４との間には、例えば０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の隙間３９が存在し、本実施形態ではその隙間３９の寸法Ｙが０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ程度に設定されている。第１面Ｓ１側のガラス溜まり３５に充填されたガラス３３の一部は、この隙間３９にヒータ本体１３の外周面１４に沿って軸方向に流出している。

ここで、図７のフランジ１５の場合、第２面Ｓ２側における穴部２７の周縁を含むフランジ１５の底部２９から下方に（軸方向と垂直に）延びる延伸部３２が形成されている。換言すると、延伸部３２は底部２９から下方に向かって延びている。本実施形態の延伸部３２は、底部２９の下端を曲げることで形成されている。
本実施形態のセラミックヒータ１１では、第２面Ｓ２側にこのような延伸部３２があることから、ガラス３３が軸方向に沿って流出している領域よりもさらに先端側にまでフランジ１５が突出することとなる。これにより、延伸部３２がガラス３３に覆われることなく水中に確実に晒されることで、アース線３４を介して外部に確実に接地することができる。

次に、本実施形態のセラミックヒータ１１を製造する方法を図８に基づいて説明する。

まず、図８（ａ）に示されるように、円筒状をなすアルミナ質のセラミック管１７を仮焼成する。

また、図８（ｂ）に示されるように、アルミナ質のセラミックシート５１の表面または積層したシート内部に、タングステン等の高融点金属を印刷する。これにより、後にヒータパターン層２２、内部端子２３及び外部端子２５となるパターン５３を形成する。

次に、このセラミックシート５１の片側面にセラミックペースト（アルミナペースト）を塗布し、図８（ｃ）に示されるように、セラミックシート５１をセラミック管１７の外周面に巻き付けて接着してから一体焼成する。その後、外部端子２５にニッケルめっきを施し、ヒータ本体１３とする。

次に、ステンレスからなる板材をプレス成形してカップ状のフランジ１５を形成した後、フランジ１５を、図８（ｄ）に示されるように、ヒータ本体１３の所定の取付位置に外嵌する。この状態でヒータ本体１３及びフランジ１５を図示しない治具で支持する。

また、ホウケイ酸ガラスからなる上記ガラス材料をリング状にプレス成形し、これを６４０℃で３０分仮焼して、仮焼済みガラス材５５を作製する。そして、図８（ｅ）に示されるように、ヒータ本体１３とフランジ１５との間のガラス溜り部３５に、リング状の仮焼済みガラス材５５を配置する。

次に、この状態のものを焼成用の連続炉に投入して、ヒータ本体１３とフランジ１５とのガラス付けを行う。具体的には、連続炉内を還元雰囲気（例えば、Ｎ_２＋５％Ｈ_２）にして溶着温度（１０１５℃）で所定時間加熱することで、仮焼済みガラス材５５を溶融させる。その後、仮焼済みガラス材５５を常温（例えば２５℃）まで冷却して固化させることで、ガラス３３を介してヒータ本体１３とフランジ１５とを溶着固定し、セラミックヒータ１１を完成させる。

１１…セラミックヒータ、１３…ヒータ本体、１５…フランジ、１６…凹状部、２７…穴部、３３…ガラス、３５…ガラス溜り部、ｄ１…フランジの径方向、Ｓ１…第一面、Ｓ２…第二面

Claims (4)

1. 軸線方向に延びるセラミック製の筒状のヒータ本体と、前記ヒータ本体に外嵌されている金属製の環状のフランジとを備えたセラミックヒータにおいて、
   前記フランジにはアース線が接続され、
   前記フランジは、前記軸線方向に延びる円筒状の側部と、当該側部に連なり径方向に縮径するように湾曲する底部と、からなる凹状部を有し、
   前記凹状部には絶縁材が充填され、当該絶縁材を介して前記ヒータ本体に接合され、
   前記フランジは、前記底部に連なり前記軸線方向の先端側に延びて水中に直接曝される延伸部をさらに有することを特徴とするセラミックヒータ。
2. 請求項１に記載のセラミックヒータであって、
   前記延伸部は、前記絶縁材よりも前記軸線方向の先端側に突出しているセラミックヒータ。
3. 請求項１または請求項２に記載のセラミックヒータであって、
   前記絶縁材はガラスで構成されたセラミックヒータ。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のセラミックヒータであって、
   前記延伸部は、前記底部の外面から０．５ｍｍ以上突出しているセラミックヒータ。
   
   

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